水体中磷的转化与循环.pdf

中国环境科学学会学术年会优秀论文集 2 0 0 6 水体中磷的转化与循环 左梅梅王华军丁昭霞 摘要磷是水体富营养化的主要限制因素 水体中磷的控制与去除对于改善水环境质量具有重要的 作用 论文论述和探讨了废水化学沉淀除磷和生物转化除磷的原理和方法 指出将物化技术与生物技 术结合除磷是废水除磷的发展趋势 论文亦讨论了磷在湖泊等天然水体中的循环与转化 评价了几种 典型的湖泊总磷转化模型 关键词富营养化除磷化学沉淀生物转化模型 一 前言 传统的富营养化定义是植物无机营养盐类输入 水体中浓度过高 促使藻类产量增加 水体 缺氧 C o o k e 等将此定义作如下修改 即富营养化是过量的营养物质 有机物质和淤泥输入 从 而导致湖泊 水库生物产量增加而体积缩小的过程 当过量营养物质进入湖泊 水库 河口 海湾等缓流水体后 水生生物特别是藻类将大量繁 殖 使水中溶解氧含量急剧变化 以至影响到鱼类等的生存 在自然状态下 湖泊会从贫营养湖 过度为富营养湖 进而演变为沼泽和陆地 不过过程极为缓慢 可能要持续几千甚至上万年 但 在人为因素的影响下 例如向水体中排人大量含营养物质的污水 水体富营养化的过程就会加 速 可能在几十年甚至几年内形成 水体出现富营养化现象时 因浮游生物大量繁殖 往往使水 体呈现蓝色 红色 棕色 乳白色等 这种现象在江河湖泊中称为水华 在海中则叫赤潮 水体 富营养化的程度与氮 磷含量密切相关 水体富营养化后将恶化水质 降低水资源的使用价值 目前 我国主要湖泊富营养化现象非 常突出 研究和实践从污水中去除磷脱氮的方法已具有重要的现实意义 对于内陆水体 藻类等 水生生物对磷更敏感 而且当水体中氮的浓度较低时 水体中的蓝藻 绿藻可通过固氮作用来补 充氮浓度不足 磷是水体富营养化的主要限制因素uJ 对于磷的控制因而显得特别重要 论文 主要论述和探讨废水中磷的化学沉淀转化和生物转化以及湖泊等天然水体中磷的循环与转化 二 磷的化学沉淀转化 废水中磷主要来源于洗涤剂 粪便和磷化等工业废水 其形态有正磷酸盐 聚磷酸盐和有机 磷 其中以正磷酸盐和聚磷酸盐占绝大多数 磷可以在有机磷和无机磷 可溶性磷和不可溶性磷 之间相互转换 但价态不会发生变化 废水除磷的主要方法有化学沉淀法 生物法 物理吸附 法 膜技术处理法 电解法 湿地处理法等 在实践中应用较多的是前两种方法 化学除磷的基本原理是通过投加化学药剂 使废水中磷酸根离子生成不溶性盐 然后通过固 液分离从废水中去除 可用于化学除磷的金属盐有三种 钙盐 铁盐和铝盐 较为常用的是石 灰 三氯化铁 硫酸铁 硫酸铝 聚氯化铝等混凝剂 一般认为磷酸盐沉淀是配位基参与竞争的 电性中和沉淀 即通过P O 一与钙离子 铁离子或铝离子的化学沉淀作用加以去除 废水中投加石灰除磷时 主要发生以下反应 主反应 C a O H 一 H C 0 3 一 C a C 0 3J H 2 0 苗0 反应 5 C a 2 4 0 H 一 3 H P 0 4 2 一 c a 5 O H P 0 4 3J 3 H 2 0 只有p H 值在1 0 1 1 的条件下磷的沉淀才是有效的 因此化学除磷中主要由废水的硬度和 碱度来确定石灰的投药量旧o 只有在碱度非常低的废水中 所用的石灰主要用在磷的沉淀反 应中 第五章环境污染防治技术研究与开发 废水中投加铁盐除磷时 主要发生以下反应 主反应 F e P 0 4 F e P 0 4J 3F e 2 2 P 0 4 5 一 F e 3 P 0 4 2J 副反应 F e 3 3 H C 0 3 一斗F e O H 3 l 3 C 0 2 废水中投加铝盐除磷时 主要发生以下反应 主反应 A l P 0 4 A 1 P 0 4J 副反应 A l 3 H C 0 3 一 A l O H j 3 C 0 2 铁盐与铝盐分散于水体时 一方面 F e 3 或A 1 3 与P O n 直接反应生成难溶盐 另一方面水 解生成一系列多核络合物 这些含铁或铝的多核络合物能有效降低或消除水体中胶体的 电位 通过电中和 吸附架桥及絮体的卷扫作用使胶体凝聚 再通过间接沉淀分离将磷去除 对于间接 沉淀除磷 最佳p H 值在7 8 范围内 而对于直接沉淀除磷 最佳p H 值在6 附近心 化学除磷的处理效果稳定可靠 受温度影响不大 污泥在处理过程中不会重新释放磷造成二 次污染 在国外应用比较广泛 但由于药剂价格较高 使该法运行费用增大 且增大了污泥处理 的数量 因此在我国化学除磷的应用受到一定的限制 目前化学除磷的研究趋势是开发新型的絮 凝剂 以降低药剂费用和提高除磷效果 研究化学除磷的理论 同时研究结合生物法协同除磷的 方法 3 三 磷的生物转化 废水生物除磷是利用活性污泥的超量磷吸收现象 通过废水生物处理系统的设计改进或运行 方式的改变 使细胞含磷量相当高的细胞群体能在处理系统的基质竞争中取得优势 运行上通过 排泥使废水中的磷得以去除的方法 一般的生物处理活性污泥中 磷占污泥干重的1 5 一2 O 但是 在厌氧一好氧交替运 行的条件下 某些微生物种群能够以比普通活性污泥高3 7 倍的水平摄取积累或释放出磷 研 究表明 在废水生物除磷过程中 活性污泥在好氧 厌氧交替条件下时 在活性污泥中可产生所 谓的 聚磷菌 HJ 在厌氧条件下 聚磷菌能够吸收低分子的有机物 同时将细胞原生质中聚 合磷酸盐的磷释放出来 提供能量 在好氧条件下 聚磷菌可超出其生理需要而从废水中过量摄 取磷 形成多聚磷酸盐作为贮藏物质 聚磷菌的这种过量摄磷能力不仅与在厌氧条件下磷的释放 量有关 而且与被处理污水中的有机基质的类型有关 其处理系统所排放的剩余污泥中的含磷量 一般为6 左右 污泥干重 甚至更高 通过排泥使废水中的磷得到高效去除 回流污泥 含磷 l 剩余活 一 一一一一一 一一 一一 一一 一一一一一一一 佩 图lA O 工艺与A 2 O 工艺流程图 图1A O 工艺与A 2 O 工艺流程圈 A O 工艺 A 2 O 工艺是废水生物除磷传统的两种工艺 A O 工艺 图1 中虚线框以外部 中国环境科学学会学术年会优秀论文集 2 0 0 6 分 是最基本的生物除磷工艺 微生物首先通过厌氧条件 将细胞中的磷释放 然后通过好氧 状态 摄取比在厌氧条件下释放的更多的磷 通过剩余污泥的排放降低处理水中磷的含量 A 2 O 工艺 如图1 是在A O 工艺的基础上增加一个缺氧区 使好氧区的混合液回流至缺氧区使 之反硝化脱氮 此外 B a r d e n p h o 工艺 U C T 工艺 P h o s t r i p 工艺 S B R 工艺 氧化沟 生物转 盘 生物滤池 人工湿地等废水生物除磷工艺也常用于工程实践中 生物除磷的运行费用较低 但往往达不到较高的除磷要求 且含磷污泥容易造成二次污染 目前 生物除磷的研究趋势是加强对生物除磷机理的研究 对生物除磷工艺进行优化和有效控 制 同时结合化学法进行协同除磷研究 J 四 湖泊中磷的循环转化 我国农业生产中大量的磷肥用于增产增效 土壤贫瘠导致土壤固磷能力下降 大量磷肥和土 壤有效磷随暴雨径流和农业排灌进入地表水体 研究显示 农业面污染源所产生的污染已远远超 过城市点源产生的污染量 大面积的农业非点源污染已引起人们的普遍关注哺 对于面源污染 的控制由于运行和管理问题而无法实施点源的方法 必须采用生态恢复技术进行面源污染治理 而总磷在水体中循环转化的模型将对此起指导作用 湖 白等天然水体中磷的来源主要有三个 农业的面源污染 城市的点源污染以及水体底泥的 释磷作用 而水体中的磷主要通过水体的自净作用得以转化和去除 研究者根据磷在水体中的转 化机理 提出了湖泊中总磷浓度的不同模型 各种模型的形式和参数存在很大的区别 主要有以 下几种类型 C h a p r a 的总磷模型 o 假设湖泊处于完全混合状态 磷的减少与总磷的浓度正相关 这个模 型只要求校准一个参数 即总磷的表观沉降速度 这个模型没有考虑沉降速度随季节的变化 也 没有考虑湖泊沉积物的释磷作用 形式比较简单 S n o d g r a s s 和O M e l i a 哺 将总磷分为溶解态磷和颗粒态磷 颗粒态磷由溶解性磷转化而来 通 过降解和沉降作用得到去除 该模型假设湖泊在夏季分层而在冬季完全混合 各为6 个月 夏 季 下层滞水层内颗粒态磷可转化为溶解态磷 冬季这个现象则存在于整个水体中 但这个模型 并没有明显地体现出沉泥的释磷作用 S e o 提出一种底泥释磷率为常数的总磷模型 9 该模型将水体分为两层 磷有两种存在形 态 在水体表层溶解态磷转化为颗粒态磷 在下层滞水层颗粒态磷得到降解 C h a p r a 和C a n a l e 提出了一种同时考虑沉淀作用和沉泥释磷作用的模型 该模型假设沉泥释 磷速度和沉泥总磷浓度 滞水层溶解氧和温度有关 体现出在不同季节有不同的释磷速度 与实 际情况吻合 S e o 在C h a p r a 和C a n a l e 模型的基础上提出了一种更详细考虑磷循环的模型 9 该模型认为 在水体中磷有溶解态和颗粒态两种形态 而沉泥中磷有溶解态 颗粒态和难溶态三种形态 沉泥 释磷速度与沉泥中存在的溶解态和颗粒态磷的比例有关 而溶解态和颗粒态磷的比例与水体底部 溶解氧的浓度有关 该模型能够反应不同季节中的变化 由于模型只是真实水系的一个模拟 预测结果必然与真实情况存在一定的差异 R a y m o n d P C a m d e 和D o n g L iS e o 应用实际数据随机比较了包括上述模型在内的8 种总磷模型H 引 表明 复杂的模型能够更准确的预测水体中总磷的浓度 但模型中不确定的因素和不准确的数据可能对 预测结果造成很大的影响 因此选择何种模型与测定数据的准确性和不确定因素的估计有关 随着计算机技术在环境化学领域的应用 不断涌现出水体中磷的各种动态空间模型n l j 为 研究磷在天然水体中的转化提供了新的方向 应当指出 获取湖泊 河流中总磷浓度的模型并不 是研究的最终目的 这些模型只有在水体生态修复中才能够真正体现其价值 第五章环境污粢防治技术研究与开发 2 0 7 3 五 结语 因控制水体富营养化的环境要求 需将磷从废水中去除 化学沉淀和生物除磷是废水除磷的 两种主要方法 考虑将物化技术与生物技术结合除磷是废水除磷的发展趋势 对于湖泊等天然水 体 需根据磷循环转化的机理建立符合实际的总磷浓度的模型 采用适宜的生态修复技术控制和 消除水体富营养化的不良影响 同时 磷在生物圈中大部分是单向流动的 是一种不可更新的宝 贵资源 在现有的技术 经济水平下 已探明的世界磷储量仅够人类再用1 0 0 年H2 磷的可持 续性利用问题逐渐被人们所重视 变传统的除磷工艺为现代的回收磷工艺已成为废水除磷研究的 又一个热点 参考文献 1 吴海林 杨开等 废水除磷技术的研究与发展 环境污染治理技术与设备 2 0 0 3 4 1 5 3 5 7 2 W W e s l e yE e k e n f e l d e r I n d u s t r i a lW a t e rP o l u f i o nC o n t r o l T h i r dE d i t i o n M cG r a i lH i l l 北京 清华大学出版 社 2 1 0 2 3 徐丰果 罗建中 凌定勋 废水化学除磷的现状与进展 工业水处理 2 0 0 3 2 3 5 1 8 2 0 4 郑兴灿 李亚新 污水除磷脱氮技术 北京 中国建筑工业出版社 1 9 9 8 5 顾小红 黄种买等 污水除磷技术的现状及发展趋势 中国资源综合利用 2 0 0 2 5 2 6 2 8 6 张荣社 周琪等 潜流构造湿地去除农田排水中磷的效果 环境科学 2 0 0 3 2 4 4 1 0 5 1 0 8 7 C h a p mS C T o t a lP h o s p h o r u sM o d e lf o rG r e a tL a k e s A n tS o c C h e m E n g r s 1 9 7 7 1 0 3 4 1 4 7 1 6 1 8 S n o d g r a s sW J a n dO M e l i ac RAP r e d i c t i v eM o d e lf o rP h o s p h o r u si nl a k e s E n v i r o n S c i r e c h n 0 1 1 9 7 5 9 9 3 7 9 4 5 9 D o n g L iS e oa n dR a y m o n dP C a n a l e P e r f o r m a n c e 址e I W a r R e s 1 9 9 6 3 0 1 8 3 9 4 1 0 R a y m o n dP C a n a l ea n dD o I l g L iS e o P e r f o r m a n c e h k e s 一 W a LR e s 1 9 9 6 3 0 1 9 5 1 0 2 R e l i a b i l i t ya n dU n c e r t a i n t yo fT o t a lP h o s p h o r u sM o d e l sF o r R e l i a b i l i t ya n dU n c e r t a i n t yo fT o t a lP h o s p h o r u sM o d e l sF